Le società moderne si affidano alla tecnologia robotica per svolgere una vasta gamma di funzioni vitali per il buon funzionamento dei sistemi di produzione industriale, così come ad altri settori come l'edilizia, sanità e trasporti.

Però, una limitazione fondamentale della maggior parte dei robot è il fatto che sono in grado di eseguire solo un'attività ripetitiva, come prelevare un articolo da un cestino e posizionarlo su un nastro trasportatore o praticare fori secondo uno schema preimpostato.

In riconoscimento di questa limitazione, i ricercatori nel campo emergente della robotica adattiva stanno concentrando la loro attenzione su come rendere i robot più adattabili e utilizzando principi di ingegneria meccanica per creare dispositivi all'avanguardia in grado di riconfigurarsi per svolgere una serie di funzioni diverse. Per esempio, un drone multiuso utilizzato per ispezionare infrastrutture energetiche come piattaforme petrolifere offshore o turbine eoliche potrebbe essere dotato di tecnologia di presa che gli consente di appollaiarsi su strutture e condurre analisi più approfondite in caso di vento forte, nonché capacità di impermeabilizzazione e tecnologia di propulsione che gli consentono di eseguire ispezioni delle fondamenta sotto la superficie dell'oceano.

Quindi quali tecnologie e tecniche di ingegneria meccanica vengono utilizzate come parte di questo lavoro? Quali sono le principali applicazioni attuali e potenziali della robotica adattiva? E quali innovazioni e tendenze nell'uso dei sistemi di ingegneria meccanica per le tecnologie di robotica adattiva possiamo aspettarci nei prossimi anni?

Riconfigurazione

Una delle recenti iniziative più interessanti in questo ambito è presso la Colorado State University (CSU), dove un team di ricercatori ha creato una serie di piccoli, robot leggeri che sono in grado di riconfigurarsi in risposta alle diverse esigenze degli utenti. In qualità di capo progetto, il dott. Jianguo Zhao, assistente professore presso l'Adaptive Robotics Lab della CSU, spiega, il suo lavoro in quest'area rientra in tre categorie principali a seconda delle forze di attuazione impiegate.

Il primo è la riconfigurazione da parte dei muscoli artificiali, che prevede un'indagine su come sfruttare un muscolo artificiale a basso costo realizzato con fili per cucire domestici per trasformare la forma di un determinato robot. Ciò ha portato alla creazione di un collegamento che può muoversi e mantenere un'altra forma senza ulteriore apporto di energia.

La seconda categoria di lavoro esplora come sfruttare materiali con rigidità variabile per riconfigurare le funzioni di un dato robot, come parte del quale, dottorato di ricerca lo studente Jiefeng Sun ha costruito un robot ambulante adattivo in grado di raggiungere più traiettorie di gambe.

La terza categoria studia come utilizzare nuovi meccanismi passivi per consentire ai robot volanti di appollaiarsi sui muri, linee elettriche o soffitti, come parte dei quali, dottorato di ricerca lo studente Haijie Zhang ha sviluppato un robot dotato di una pinza cedevole e passiva.

Per abilitare tali robot adattivi, Zhao rivela di aver adottato una gamma di tecnologie di ingegneria meccanica all'avanguardia, compreso il meccanismo e il design della macchina, progettazione assistita da computer, produzione additiva (stampa 3D), cinematica e modellistica dinamica, analisi agli elementi finiti e meccatronica. Un esempio è un robot ambulante in miniatura, che il team ha creato utilizzando la stampa 3D multimateriale, una tecnologia in grado di stampare sia materiali morbidi che rigidi in un unico pezzo.

"In questo robot, abbiamo utilizzato il materiale morbido per fungere da giunti di rotazione cedevoli e il materiale rigido per fungere da collegamenti. In questo caso, possiamo stampare il corpo e le quattro gambe per il robot come una singola parte senza assemblaggio, " lui dice.

"Per di più, per analizzare il comportamento di un tale robot, abbiamo stabilito i modelli cinematici e dinamici per prevedere le traiettorie delle gambe e li abbiamo confrontati con i risultati sperimentali. Finalmente, abbiamo usato un sistema embedded con microcontrollori e comunicazioni wireless per controllare il robot."

Dal punto di vista di Zhao, i piccoli robot di questo tipo hanno molti vantaggi rispetto ai robot più grandi e pesanti. Ad esempio, sono in grado di accedere e navigare in ambienti ristretti o angusti in cui i robot di grandi dimensioni non possono entrare. Secondo lui, possono anche essere fabbricati a costi molto inferiori utilizzando la produzione additiva.

Nonostante questi evidenti vantaggi, Zhao ammette che i robot più piccoli spesso trovano più difficile muoversi in molti ambienti. Per affrontare questo, dice che è meglio dotarli di "capacità di locomozione multiple" come camminare, strisciando, saltare o volare, utilizzando un meccanismo specializzato per ciascuna funzione.

"Però, è difficile impacchettare diversi meccanismi specializzati con attuazioni separate in una piccola dimensione e il rilevamento, anche il calcolo e il controllo sono più impegnativi. In questo caso, piuttosto che un meccanismo specializzato per ogni funzione, una nuova soluzione consiste nell'abilitare robot adattivi in ​​grado di riconfigurarsi in risposta a un'esigenza, " lui dice.

Clicca coleotteri

Altrove, un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois sta conducendo una ricerca innovativa sul movimento dei coleotteri clic nel tentativo di ispirare robot più agili e adattivi. Come parte di questo lavoro, il team ha utilizzato i raggi X di sincrotrone presso la sorgente di protoni avanzata nell'Argonne National Laboratory per studiare il meccanismo interno di chiusura o rilascio rapido dell'insetto e ha dimostrato come una combinazione di morfologia e meccanica a cerniera faciliti un meccanismo di clic unico.

Come Aimy Wissa, assistente professore nel dipartimento di scienze meccaniche e ingegneria e capo del laboratorio di morfologia adattiva di ispirazione biologica presso l'Università dell'Illinois Urbana-Champaign, spiega, la ricerca si basa sul lavoro che esplora il meccanismo di salto autoraddrizzante senza gambe dei coleotteri click. Come parte di questo esercizio, il team ha costruito prototipi di un dispositivo a molla simile a una cerniera che vengono incorporati in un robot.

Piuttosto che fare affidamento sulle loro gambe, i coleotteri clic saltano flettendo tutto il corpo mentre sono in posizione capovolta. Durante questa fase, soprannominato "flessione del corpo, " l'insetto immagazzina energia prima di rilasciarla in un salto quasi verticale, un'azione che aiuta anche lo scarabeo a raddrizzarsi se cade in una posizione invertita. Indagando sulla fisica del salto della creatura, il team dell'Illinois è stato in grado di sviluppare un robot autonomo autoraddrizzante, concentrandosi in particolare sulle leggi di scala tra le specie di coleotteri e l'influenza del rapporto di massa dell'insetto sul suo salto.

"Ci siamo subito resi conto che i coleotteri clic appartengono a una classe di organismi che utilizzano strategie di movimento "amplificate dalla potenza":usano elementi di immagazzinamento elastici per immagazzinare energia e rilasciarla a un ritmo molto più veloce di quanto possano fare i muscoli. Mi sono interessato alla possibilità di utilizzare tali strategie di attuazione per progettare piccoli robot più agili, può riprendersi dalle cadute, e sono capaci di manovre veloci, "dice Wissa.

Filmando i coleotteri con telecamere ad alta velocità, il team dell'Illinois ha scoperto che il loro salto può essere suddiviso in tre fasi:la fase pre-jump, la fase di decollo e la fase di volo. Come parte della fase di pre-salto, l'insetto piega il suo corpo e mantiene la posizione per attrito mentre immagazzina energia. Mentre è ancora in contatto con il suolo, inizia a rilasciare energia durante la fase di decollo spingendo verso l'alto il suo baricentro. Durante la successiva fase di volo, fa capriole in aria, tracciando una traiettoria complessiva che segue un movimento balistico mentre le unità del corpo separate ruotano attorno al centro di massa. Utilizzando i dati dei video di scarabei dal vivo, Wissa e il suo team hanno anche sviluppato due modelli dinamici della fase di decollo e della fase di volo.

Durante la fase di decollo, la creatura è stata anche modellata come un meccanismo a manovella a scorrimento che viene azionato nel punto di cerniera e la dinamica lagrangiana è stata utilizzata come parte di un modello preliminare a due masse per simulare il movimento di rotazione e traslazione osservato dall'insetto mentre era in volo.

"Queste strategie di locomozione sono utili come ispirazione per nuove tecniche di attuazione per applicazioni come la robotica e l'agricoltura, "dice Wissa.

"Mentre i robot diventano onnipresenti nella nostra vita quotidiana, saranno tenuti a diventare adattivi alla missione. La stessa piattaforma sarà richiesta per svolgere ruoli diversi. Per esempio, lo stesso UAV [veicolo aereo senza equipaggio, o drone] sarà richiesto di trasportare il carico utile, evitare gli ostacoli, rimanere in alto più a lungo, ed eseguire più manovre. Pertanto strutture adattive, o strutture che possono adattare la loro forma e funzione a diversi stimolanti, diventerà più critico nei prossimi anni, "aggiunge.

Robot multiuso

Zhao prevede che i piccoli robot adattivi avranno molte applicazioni promettenti, che vanno dal "monitoraggio ambientale e sorveglianza militare, per la ricerca e il soccorso in aree disastrate." Si aspetta inoltre che le piccole dimensioni consentano una produzione a basso costo ed economica, aprendo la possibilità di implementarli per specifiche applicazioni di nicchia e di "formare automaticamente reti di sensori mobili e lavorare in modo collaborativo per svolgere determinati compiti".

Comunque, Zhao sottolinea che devono essere superate due sfide principali per abilitare i robot adattivi. in primo luogo, i processi di riconfigurazione devono essere accelerati per ottenere ciò che egli descrive come "riconfigurazione in tempo reale". Il processo di riconfigurazione per i robot CSU richiede in genere diversi minuti perché il team deve riscaldare e raffreddare i componenti utilizzati per la riconfigurazione. Questo è un problema perché, in alcune applicazioni, come ali trasformabili per robot volanti, le ali devono cambiare forma in tempo reale per far fronte a diverse situazioni aerodinamiche.

In secondo luogo, Zhao afferma che i ricercatori "devono ancora stabilire un quadro fondamentale e teorico per i robot adattivi... se vogliamo realizzare diverse configurazioni desiderate, come dovremmo progettare correttamente il robot e specificare la strategia di riconfigurazione? Non esiste una risposta chiara a una domanda di così alto livello".

Nel tentativo di affrontare la prima sfida, Zhao spiega che i ricercatori possono sfruttare nuovi materiali che richiedono meno energia per modificare la rigidità, come le leghe a basso punto di fusione, che cambiano da uno stato rigido a uno stato morbido a temperature più basse. Per affrontare la seconda sfida, rivela che gli accademici possono sviluppare quadri teorici per prevedere tutte le possibili riconfigurazioni per un dato progetto, e poi "sfrutta le simulazioni computazionali per sintetizzare un progetto per ottenere le configurazioni desiderate".

"Guardando avanti, Penso che saremo in grado di realizzare robot adattivi che possono avere tutti i tipi di capacità, come camminare, volare, nuotare o arrampicarsi, nei prossimi anni. Ciò può essere ottenuto sfruttando le vaste scelte di materiali digitali offerti dalla stampa 3D da utilizzare nella fabbricazione di robot adattivi e nella miniaturizzazione di vari componenti meccatronici, ad esempio, sensori, attuatori e microcontrollori, nonché simulazioni ad alta fedeltà di sistemi meccanici con materiali eterogenei, soprattutto per robot morbidi realizzati con materiali morbidi, " Aggiunge.